Электромонтер буровых установок - Конструкция скважин и способы бурения

Глава I
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ БУРЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН
§ 1. КОНСТРУКЦИЯ СКВАЖИН И СПОСОБЫ БУРЕНИЯ

Конструкция скважин

Скважиной называется цилиндрическая горная выработка малого по сравнению с ее длиной диаметра, проводимая без доступа в нее человеком. Начало скважины у поверхности земли называется устьем, дно скважины — забоем.
При бурении нефтяных и газовых скважин необходимо крепить их стенки, что дает возможность: укрепить стенки скважин, сложенные недостаточно устойчивыми горными породами; разобщить нефтеносные или газоносные пласты друг от друга, а также от водоносных пород.
Крепление стенок скважин позволяет создавать долговечный и герметичный канал, по которому нефть или газ поднимаются с забоя до устья скважины без потерь. Пласты разобщают при помощи специальных труб, которые называются обсадными. Так как одно крепление стенок скважины обсадными трубами не создает разобщения пластов, то затрубное пространство заполняют цементным раствором при помощи специального цементировочного оборудования и приспособлений. Этот процесс называется цементированием скважины.
Число спущенных в скважину обсадных колонн, размеры колонн (наружный диаметр, длина), диаметры ствола под каждую колонну, местоположение интервалов цементирования (глубина верхней и нижней границ) определяют понятие конструкции скважины.
Конструкции скважины выбираются в соответствии с Методическими указаниями по выбору конструкций нефтяных и газовых скважин, проектируемых для бурения на разведочных и эксплуатационных площадях, утвержденных Миннефтепромом в 1973 г.
В конструкции скважины используют следующие типы обсадных колонн:

1. направление — для крепления верхнего интервала, сложенного неустойчивыми отложениями. Предназначено для предотвращения размыва устья скважины;
2. кондуктор — для крепления верхних неустойчивых интервалов разреза, изоляции водоносных горизонтов от загрязнения, установки на устье противовыбросового оборудования, а также для подвески последующих обсадных колонн;
3. промежуточная обсадная колонна — для крепления и изоляции вышележащих зон геологического разреза, несовместимых по условиям бурения с нижележащими. Служит для предотвращения осложнений и аварий в скважине при бурении последующего интервала. В благоприятных условиях промежуточную колонну можно использовать в качестве эксплуатационной;
4. эксплуатационная колонна — для крепления и разобщения продуктивных горизонтов и изоляции их от других горизонтов геологического разреза. Предназначена для извлечения нефти или газа на поверхность.

Целевое назначение скважин может быть различным. Все скважины, бурящиеся с целью исследований, поисков, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений или залежей, подразделяются на следующие категории:

1. опорные скважины бурят для изучения геологического строения крупных районов, определения общих закономерностей распространения отложений, благоприятных для нефтегазонакоплений;
2. параметрические скважины бурят для изучения глубинного геологического строения и сравнительной оценки перспектив нефтегазоносности возможных зон нефтегазонакопления;
3. структурные скважины бурят для выявления и подготовки к поисково-разведочному бурению перспективных площадей;
4. поисковые скважины бурят на площадях, подготовленных геологопоисковыми работами с целью открытия новых месторождений нефти и газа;
5. разведочные скважины бурят на площадях с установленной промышленной нефтегазоносностью с целью подготовки запасов нефти и газа промышленных категорий и сбора исходных данных для составления проекта (схемы) разработки залежи;
6. эксплуатационные скважины бурят для разработки и эксплуатации залежей нефти и газа;
7. специальные скважины бурят для сброса промысловых вод, ликвидации открытых фонтанов нефти и газа, подготовки структур для подземных газохранилищ и закачки в них газа, разведки и добычи технических вод.

Способы бурения скважин

Способы бурения можно классифицировать по характеру воздействия на горные породы: механическое, термическое, физико-химическое, электроискровое и т. д.
В настоящее время широко применяют только механические способы. Механическое бурение осуществляется ударным, вращательным и ударно-вращательными способами.
Ударный способ бурения в СССР распространен только при геологоразведочных работах на воду и твердые полезные ископаемые, при инженерно-геологических изысканиях и некоторых других работах.
При бурении нефтяных и газовых скважин в СССР применяют исключительно вращательный способ бурения. При этом способе бурения скважина как бы высверливается непрерывно вращающимся долотом. Разбуренные частицы породы в процессе бурения выносятся на поверхность непрерывно циркулирующей струей промывочной жидкости или нагнетаемым в скважину воздухом или газом. В зависимости от местонахождения двигателя вращательное бурение разделяют на роторное — двигатель находится на поверхности и приводит во вращение долото на забое при помощи колонны бурильных труб и бурение с забойным двигателем (турбинное или при помощи электробура)—двигатель перенесен к забою скважины и устанавливается над долотом.
Процесс бурения состоит из следующих операций: спускоподъемных работ (опускание бурильных труб с долотом в скважину до забоя и подъем бурильных труб с отработанным долотом из скважины) и работы долота на забое (разрушение породы долотом). Эти операции периодически прерываются для спуска обсадных труб в скважину, чтобы предохранить стенки скважины от обвалов и разобщения нефтяных (газовых) и водяных горизонтов.
Одновременно в процессе бурения скважин выполняется ряд вспомогательных работ: отбор керна, приготовление промывочной жидкости (раствора), каротаж, замер кривизны, освоение скважины с целью вызова притока нефти (газа) в скважину и т. п.
В случае аварии или осложнения (поломка бурильных труб, прихват инструмента и т. п.) возникает необходимость в дополнительных (аварийных) работах. Схема буровой установки для осуществления вращательного способа бурения показана на рис. 1.
Самая верхняя труба в колонне бурильных труб не круглая, а квадратная (она может быть также шестигранной или желобчатой). Она называется ведущей бурильной трубой. Ведущая труба проходит через отверстие круглого стола ротора и при бурении скважины по мере углубления забоя опускается вниз. Ротор помещается в центре буровой вышки. Бурильные трубы и ведущая труба внутри полые. Ведущая труба верхним концом соединяется с вертлюгом. Нижняя часть вертлюга, соединенная с ведущей трубой, может вращаться вместе с колонной бурильных труб, а его верхняя часть всегда неподвижна.
К отверстию (горловине) неподвижной части вертлюга присоединяется гибкий шланг, через который в процессе бурения закачивается в скважину промывочная жидкость при помощи буровых насосов. Последняя, пройдя квадратную ведущую трубу и всю колонну бурильных труб, попадает в долото и через отверстия в нем устремляется на забой скважины, (при бурении турбинным способом промывочная жидкость вначале поступает в турбобур, приводя его вал во вращение, а затем в долото).

Рис. 1. Схема буровой установки для глубокого вращательного бурения;
1 — долото; 2 — турбобур; 3 — бурильная труба; 4 — бурильный замок; 5 — лебедка; 6 —  двигатели лебедки и ротора; 7 — вертлюг; 8 — талевый канат; 9 — талевый блок; 10 — крюк; 11 — буровой шланг; 12 — ведущая труба; 13 — ротор; 14 — вышка; 15 — желоба; 16 — обвязка насоса; 17 — буровой насос; 18 — двигатель насоса; 19 — приемный резервуар

Выходя из отверстий в долоте, жидкость промывает забой, подхватывает частицы разбуренной породы и вместе с ними через кольцевое пространство между стенками скважины и бурильными трубами поднимается наверх, где направляется в прием насосов, предварительно очищаясь на всем пути от частиц разбуренной породы.
К верхней неподвижной части вертлюга шарнирно прикреплен штроп, при помощи которого вертлюг подвешивается на подъемном крюке, связанном с подвижным талевым блоком. На самом верху буровой вышки установлен кронблок, состоящий из нескольких роликов. Во время бурения колонна труб висит на крюке и опускается по мере углубления. Как только долото срабатывается, всю колонну труб поднимают на поверхность для его замены.
Пробурив с поверхности земли скважину на глубину 30- 600 м, в нее спускают кондуктор, служащий для перекрытия слабых (неустойчивых) пород или верхних притоков воды и для создания вертикального направления ствола скважины при дальнейшем бурении. После спуска кондуктора производят цементирование (тампонаж), т. е. закачивают цементный раствор через обсадные трубы в кольцевое пространство между ними и стенками скважины. Цементный раствор, поднимаясь вверх, заполняет затрубное пространство. После затвердения цементного раствора бурение возобновляется.
В скважину опускают долото, диаметр которого меньше диаметра предыдущей обсадной колонны. Затем в пробуренную до проектной глубины скважину спускают колонну обсадных труб (эксплуатационную колонну) и цементируют ее. Цементирование производят для того, чтобы изолировать друг от друга водоносные и нефтеносные пласты.
Если при бурении под эксплуатационную колонну возникают большие осложнения, препятствующие успешному бурению, вслед за кондуктором спускают одну или две промежуточные колонны.
Таким образом, полный цикл строительства скважины состоит из следующих основных элементов:
1) монтажа вышки, бурового (силового) оборудования и строительства привышечных сооружений; 2) подготовительных работ к бурению скважин; 3) процесса бурения (углубления); 4) вскрытия и разобщения пластов (крепления и цементирования); 5) испытания скважины на приток нефти или газа (освоения); 6) демонтажа оборудования и вышки.